[发明专利]用于纤维素乙醇发酵的连续式梯级固定化反应方法及设备

说明书

本发明提供了一种用于纤维素乙醇发酵的连续式梯级固定化反应方法及设备。该方法包括：包括将木质纤维素水解液连续依次经过可发酵己糖产乙醇的微生物固定化床和可发酵戊糖产乙醇的微生物固定化床，依次进行发酵反应，将发酵产物分为第一部分产物和第二部分产物，所述第一部分产物进行收集，所述第二部分产物与木质纤维素水解液混合后再依次经过可发酵己糖产乙醇的微生物固定化床和可发酵戊糖产乙醇的微生物固定化床，以实现循环。本发明提供的方法和设备可以有效提高发酵体系中微生物对水解液中对糠醛等抑制性物质的耐受性，从而实现乙醇的高效率连续性产出。

技术领域

本发明涉及微生物发酵技术领域，更具体地，涉及一种用于乙醇发酵的连续式梯级固定化反应方法及设备。

背景技术

在当前以非食用性的木质纤维素类农业和林业废弃物等作为生产原料的第二代乙醇的生产过程中，木质纤维废物水解物是以戊糖和己糖为主要物质的基质，其中，由于一代生物乙醇的发展，利用酿酒酵母发酵葡萄糖等己糖产乙醇的技术已经成熟并且实现工业化产业化。而木糖等戊糖不能为酿酒酵母发酵产乙醇，限制了纤维素乙醇的产率。为解决同时发酵己糖和戊糖的问题，研究者寻求具备同时发酵己糖和戊糖功能的特定菌种，实现混合底物产乙醇的目的。例如，Sureewan 等利用处理后的油菜秸秆固定化Thermoanaerobacter pentosaceus，70℃下同时发酵葡萄糖和木糖的菜籽秸秆载体体系中乙醇产量最大，为 1.36mol/消耗的糖，与游离细胞相比，乙醇产量提高了11％。然而，葡萄糖和木糖在发酵过程中存在底物竞争现象，混合底物体系的产乙醇效率仍然不够理想。

除此之外，在木质纤维利用过程中存在的另一个重要的问题是水解产生戊糖和己糖的过程中分别伴随着一定浓度糠醛和5-羟甲基糠醛 (5-HMF)，对酿酒酵母等发酵微生物的代谢具有抑制作用。该问题的解决有两个思路：①微生物固定化；②连续式反应器出水回流。首先，微生物固定化是提高反应系统生物量、保护微生物免受有害组分冲击的常用方法，且更易于产物分离和工艺控制，已广泛应用于各类微生物发酵工艺。在常用的固定化方法中，利用甘蔗渣、稻壳、丝瓜瓤等天然木质纤维载体固定微生物细胞，具有成本低、强度高、无毒害、可回用和孔隙度大等多种优势。例如，Sittijunda等利用菜籽秸秆等载体固定极端嗜热菌进行己糖/戊糖的乙醇发酵，发现与游离微生物相比，菜籽秸秆固定能有效提高乙醇产率和浓度。其次，连续式固定化床反应器在乙醇发酵中存在较好的应用前景。例如，Lina等将酵母细胞固定在刨花，甘蔗渣，玉米叶和玉米秸秆芯木质纤维素废物填充床反应器中连续生产乙醇中发现，甘蔗渣为载体时具有相对较好的固定化效果，而玉米秸秆芯体系中可获得更高的乙醇产量。

但在对于解决同时发酵木糖葡萄糖产乙醇和提高发酵过程中微生物耐受性的两个问题既然存在技术难度。对此，本发明提出，在梯级反应体系中同时引入己糖发酵菌和戊糖发酵菌，利用其功能先后进行乙醇发酵；同时采用连续式固定化床反应器形式，划分己糖发酵和戊糖发酵功能分区，避免混合体系的底物竞争，同时降低糠醛、5-HMF 等物质的抑制作用。该发明对提高纤维素乙醇发酵效率提供了创新思路与反应形式。

发明内容

本发明提供了一种能够高效利用木质纤维素水解液产乙醇的连续式反应方法及设备，在高效发酵的同时，既能同时发酵木质纤维水解物中戊糖、己糖产乙醇，又可通过固定化微生物技术提高发酵体系中微生物对水解液中糠醛等抑制性物质的抗性，旨在提高和改善第二代乙醇生产过程中微生物发酵工艺的发酵效率。

该连续式梯级固定化的纤维素乙醇发酵的方法包括将木质纤维素水解液连续依次经过可发酵己糖产乙醇的微生物固定化床和可发酵戊糖产乙醇的微生物固定化床，依次进行发酵反应，将发酵产物分为第一部分产物和第二部分产物，所述第一部分产物进行收集，所述第二部分产物与木质纤维素水解液混合后再依次经过可发酵己糖产乙醇的微生物固定化床和可发酵戊糖产乙醇的微生物固定化床，以实现循环。

优选地，所述第二部分与所述木质纤维素水解液的体积比为 1:1～5:1，优选为4:1。